2.3 骨料

骨料是混凝土的主要组成材料之一，在混凝土中骨料占其总体积的3/4以上。骨料所占的体积越多，水泥的用量就越少，混凝土的经济性就越好。骨料化学成分、矿物组成与结构、强度、密度、热学性能、颗粒大小与形状、表面性状等，均对混凝土性能和经济性产生重要影响。因此，在生产优质混凝土时，必须对骨料进行认真选择。

骨料的选用应根据就地取材的原则，首先考虑选用生产成本低、质量优良的天然砂石料。根据国内外对人工砂石料的试验研究和生产实践，证明采用人工骨料也可以做到经济实用。

2.3.1 骨料的分类

2.3.1.1 按岩石品种（岩性）分类

混凝土骨料是各种岩石粒形材料。作为混凝土的骨料的原岩主要有火成岩（岩浆岩）、沉积岩、变质岩三大类（见表2.3-1）。按岩石品种，可分为花岗岩骨料、玄武岩骨料、辉绿岩骨料、砂岩骨料、石灰岩骨料、白云岩骨料、大理岩骨料等。

2.3.1.2 按骨料粒径分类

按骨料粒径大小分为细骨料与粗骨料。细骨料粒径为0.16～5.00mm，又称砂子。粗骨料粒径为5～150mm（或120mm），又称石子。石子又分为小石（粒径5～20mm）、中石（粒径20～40mm）、大石（粒径40～80mm）与特大石（粒径80～150mm或120mm）。因此骨料按粒径分为砂、小石、中石、大石、特大石等5种。

2.3.1.3 按料源与加工方式分类

按料源与加工方式，可将骨料分为天然骨料与人工骨料两大类。

天然骨料是从天然河流中或山上或海中采集的砂、砾石，经过适当的筛洗加工而得。天然骨料因岩石经过长期的风化、运动、水流冲刷、相互碰撞等作用，一般外形呈圆形，表面光滑、质地坚硬，是比较理想的混凝土原材料。如果当地有足够的符合要求的天然砂石料场，一般总是优先考虑采用。但天然骨料的原岩种类繁多，成分复杂，级配通常不理想，有时还含有一些针片状和软弱颗粒。还有一些料场，因沉积年代久远，表面风化，含有或粘附一些不稳定的化学物质和有害成分。所有这些，都将对混凝土性能产生影响。

人工骨料是用机械的方法将岩石破碎制成的。人工骨料中细骨料又称人工砂，粗骨料又称为碎石。由于人工骨料可以选择适当的原岩进行加工，岩石品种单一，可以控制级配，开采生产一般都能常年进行，目前越来越多的工程都采用人工骨料。人工骨料的表面粗糙，多棱角，空隙率和比表面积较大，所拌制的混凝土和易性较差，但碎石与水泥石胶结力较强，在水胶比相同的条件下，人工骨料混凝土比卵石混凝土强度高。

一般来说，用石灰岩、花岗岩制成的碎石粒形好，而用玄武岩、石英岩等岩石制成的碎石针片状颗粒多、粒形差。用圆锥、锤式破碎机生产的碎石，粒形圆整，而用颚式破碎机生产的碎石，针片状颗粒较多，且级配比较集中，棒磨机生产的人工砂，粒形、级配都比较理想。

另外，按骨料是否具有潜在危害性碱活性，可分为活性骨料与非活性骨料；按密度大小可为普通骨料与轻骨料等。

2.3.2 骨料的技术性能

骨料技术性能包括抗压强度、弹性模量、密度、吸水率、细骨料级配与细度模数，粗骨料的级配、针片状含量、坚固性、超逊经含量、压碎指标，以及有害物质含量、线胀系数、碱活性等。

（1）抗压强度

对于水工混凝土来说，骨料的强度在很大程度上影响到混凝土的强度。骨料的强度取决于其矿物组成、结构致密性、质地均匀性、物化性能稳定性等。优质骨料是配制优质混凝土的重要条件。

骨料的强度一般都要高于混凝土的设计强度，这是因为骨料在混凝土中主要起骨架作用，在承受荷载时骨料的应力可能会大大超过混凝土的抗压强度。骨料的强度不易通过直接测定单独的骨料强度获得，而是采用间接的方法来评定。一种方法是测定岩石的压碎指标，另一种方法是在作为骨料的岩石上采样经加工成立方体或圆柱体试样，测定其抗压强度。用于混凝土骨料的岩石抗压强度见表2.3-2^［2-6］。从表可以看出，玄武岩强度最高，石英岩强度最低。同一种岩石强度相差很大。

一般来说，用来加工碎石的岩石湿抗压强度，低于C30混凝土应大于1.5倍设计强度，高于C30混凝土应大于2.0倍设计强度。或者火成岩强度不宜低于80MPa，变质岩不宜低于60MPa，沉积岩不宜低于30MPa^［2-2］。

（2）弹性模量

骨料弹性模量对混凝土弹性模量影响很大，骨料弹性模量高，相应混凝土弹性模量也高。各种岩石弹性模量列于表2.2-3^［2-4］。

（3）密度

骨料密度包括表观密度与堆积密度。

骨料表观密度是指在自然状态下单位体积的质量。

当骨料含有水分时，其质量和体积均会发生变化，影响骨料的密度，故对所测得的密度，必须注明其含水状态。骨料的表观密度分为干表观密度和饱和面干表观密度。前者是指骨料在完全干燥条件下的表观密度，后者是指骨料在其内部孔隙吸水饱和而外表无水膜时的表观密度。

在计算水工混凝土配合比时，一般采用饱和面干表观密度。骨料的表观密度取决于矿物组成和孔隙大小及数量。不同岩石骨料的表观密度见表2.3-4^{［2-4］、［2-6］}。

骨料堆积密度是指在堆积状态下的单位体积的质量。骨料的堆积密度又分为自然状态下的堆积密度（也称松散堆积密度）和振实后的堆积密度（即紧密堆积密度）。

（4）吸水率

由于骨料中存在孔隙，在遇水的条件下会吸收水分。骨料吸水率是指骨料吸收水量占骨料质量的百分比，它是骨料主要的物理特性。吸水率取决于骨料孔隙结构的大小、颗粒形状和尺寸。

细骨料的含水状态存在四种情况，见图2.3-1^［2-21］。

骨料在100～110℃条件下，烘干至质量恒定后，其内部水分完全蒸发时，称之为绝对干燥状态；骨料在长期干燥的条件下，其表面和内部中一部分水分蒸发后，称之为气干状态；骨料颗粒表面无水，但颗粒内部的孔隙含水饱和时，称之为饱和与面干状态；骨料内部孔隙充满水分，表面也附着水分时，称之为潮湿状态。

测定骨料的吸水率，特别是饱和面干吸水率，不仅能够判断骨料的坚实性，也能控制混凝土用水量，从而保证混凝土的和易性、强度及耐久性。饱和面干吸水率就意味着骨料在混凝土中既不带入水分，也不吸收水分，所以被水利水电工程采用。

（5）细骨料级配与细度模数

砂细度模数（FM）是指不同粒径的砂粒混在一起后的平均粗细程度。细度模数是用砂料标准筛，包括孔径为10mm、5mm、2.5mm的圆孔筛和孔径为1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm的方孔筛筛分砂料，计算各级筛上的分计筛余百分率，并计算该级筛上的分计筛余百分率与筛孔大于该级筛的各级筛的分计筛余百分率之和，获得累计筛余百分率，按下式计算砂的细度模数（FM）。

式中：A₁～A₆分别为5.0mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm各级筛上的累计筛余百分率。

按细度模数的大小，可将砂分为粗砂、中砂、细砂及特细砂。细度模数为3.1～3.7的为粗砂，2.3～3.0的为中砂，1.6～2.2的为细砂，0.7～1.5的为特细砂。实际工程中用得较多的是粗砂、中砂、细砂，特细砂工程上应用较少。

细骨料级配常用各筛上的累计筛余百分率来表示。对于细度模数为3.7～1.6的砂，按不同筛孔上的筛上累计筛余百分率分为三个区间，见表2.3-5^［2-6］。级配好的砂，各筛上累计筛余百分率应处于同一区间之内，除5.0mm筛及0.63mm筛外，允许稍有超出界限，但各筛超出的总量不应大于5%。

（6）粗骨料级配

粗骨料级配包括骨料最大粒径与颗粒级配。

粗骨料最大粒径主要根据建筑物结构尺寸和结构钢筋间距确定的。一般规定粗骨料最大粒径应不超过钢筋净距的2/3、结构物断面最小边长的1/4及混凝土板厚度的1/2。

选择合理的粗骨料级配是为了获得最小的空隙率和总表面积，以减少混凝土的用水量，增加混凝土的密实度，减小水泥用量，降低其发热量，防止混凝土裂缝。粗骨料级配有连续级配和间断级配两种。连续级配是从大到小多级粒径尺寸的骨料连续依次按比例组合；间断级配是指在多级骨料粒径中减去其中某一级或二级而组成的，它的意义是能够降低骨料间的空隙率，减少填充空隙的胶材用量，因此就可较大的降低混凝土用水量，在水灰比固定的条件下，水泥用量也减少。但是有可能会使混凝土发生分离，造成混凝土的不均匀性，不利于施工。

根据骨料最大粒径大小，水工混凝土骨料可分成一级配、二级配、三级配与四级配。一级配骨料最大粒径20mm，仅有小石一种粗骨料；二级配骨料最大粒径40mm，有小石与中石两种粗骨料；三级配骨料最大粒径80mm，有小石、中石、大石三种粗骨料；四级配骨料最大粒径150mm（或120mm），有小石、中石、大石、特大石四种粗骨料。水利水电工程常用的混凝土粗骨料级配列于表2.3-6^［2-6］。

（7）粗骨料超逊径

粗骨料级配分级中，会出现某一级石子中含有大于或小于该级粒径的石子，大于该级粒径的称之为超径，小于该级粒径的被称为逊径，粗骨粒超、逊径可引起混凝土的用水量和骨料分离增加，致使混凝土性能受到影响。在施工过程中规定，超径不应大于5%，逊径不应大于10%。如果施工中发现粗骨料超、逊径含量过多，最好采用二次筛分，以保证粗骨料的级配合适。不过，在大型的混凝土搅拌系统中，拌合楼均配备二次筛分系统，能有效防止粗骨料超、逊径发生。

（8）粗骨料针片状含量

骨料的颗粒形状和表面状态对混凝土用水量影响极大。天然骨料河卵石颗粒表面光滑，近似于球形时，其空隙率和表面积较小，拌制混凝土的用水量较少，使混凝土的和易性较好。但骨料表面光滑会使骨料与水泥浆的胶结性能较差，影响混凝土的强度。人工骨料碎石表面粗糙、多棱角，甚至扁平片状，表面积大，拌制混凝土用水量较多，为了限制骨料针片状颗粒对混凝土性能的影响，对骨料针片状颗粒含量有个上限。试验时采用针状规准仪与片状规准仪检测粗骨料针片状质量，按下式计算针片状含量q₀^［2-20］。

式中 G₁——各级试样中针片状质量，g；

G₀——各级试样质量，g。

（9）粗骨料坚固性

坚固性是指骨料抵抗干—湿、冷—热循环（风化）能力。骨料坚固性采用硫酸盐侵蚀试验，即骨料浸泡在硫酸钠溶液中，然后取出烘干，重复浸泡与烘干，试验过程中产生冷与热、干与湿的破坏作用，硫酸钠在骨料孔隙中结晶形成破坏应力，使骨料质量损失，测定质量损失率，即为粗骨料坚固性。

（10）粗骨料的压碎指标

碎石或卵石的压碎指标，是指粒径为10～20mm的颗粒，在标准荷载作用下压碎颗粒含量的百分率。该部分细粒属于软弱颗粒，如风化的卵石、砂岩及泥岩等；碎石的软弱颗粒主要有棱角、针片状、破碎的细粒。软弱颗粒含量过高会降低混凝土强度，特别对于C40以上混凝土影响更大。

（11）有害物质含量

凡在骨料中挟杂的某些成分，且含量超过一定限量时，对混凝土性能产生有害作用的统称为有害物质。

对于细骨料来说，通常含有的有害物质主要有薄片状的云母、黏土、淤泥、硫酸盐及硫化物等，这些物质会增加混凝土拌合物的用水量，降低混凝土的强度和耐久性，黏土、淤泥还会增加混凝土的干缩性。硫酸盐及硫化物，含有腐殖酸及其他有机酸类的有机物质，对水泥有侵蚀作用，危害水泥的水化、硬化，破坏混凝土的强度；细骨料中活性氧化硅或碳酸盐能与水泥中钾、钠的氧化物发生碱硅反应或碱碳酸盐反应，在有水条件下会引起有害膨胀，导致混凝土开裂破坏；细骨料含有的钾、钠氯化物盐类会导致混凝土中钢筋锈蚀。

对于粗骨料来说，有害物质主要有黏土、泥团、细屑、硫酸盐及硫化物、有机物质、活性骨料等。

（12）线膨胀系数

骨料线膨胀系数大小直接影响混凝土线膨胀系数，不同岩性骨料的线膨胀系数列于表2.3-7^［2-21］。从表可以看出，不同岩石线膨胀系数相差较大，同一种岩石线膨胀系数范围也较大。

骨料线膨胀系数与温度有关，见表2.3-8^［2-22］。从表可以看出，骨料线膨胀系数随温度降低而减小。

（13）碱活性

骨料活性成分与水泥中的碱（Na₂O和K₂O）发生化学反应而膨胀的现象称骨料碱活性反应，骨料中活性矿物，如隐晶—微晶石英、磷石英、方石英、应变石英、玉髓、蛋白石等。常见的碱活性岩石列于表2.3-9^［2-20］。从表可见，火成岩、沉积岩、变质岩三大类岩石都有碱活性岩石，如火成岩中有安山岩、花岗岩等；沉积岩中有凝灰岩、石英砂岩、硅质石灰岩、硅质白云岩；变质岩中有板岩、石英岩、片麻岩等。

2.3.3 粗细骨料品质指标

（1）细骨料品质指标

常用混凝土细骨料为天然砂（河砂）与人工砂。我国电力行业标准《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）与《水工碾压混凝土施工规范》（DL/T 5112—2009）规定的细骨料品质指标列于表2.3-10。

（2）粗骨料品质指标

常用混凝土粗骨料为天然卵石与人工碎石。我国电力行业标准《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）规定的粗骨料品质指标列于表2.3-11。

2.3.4 细骨料品质对混凝土性能的影响

（1）砂的颗粒级配与细度模数对混凝土性能的影响

砂的级配合理与否直接影响到混凝土拌合物的稠度。合理的砂子级配，可以减少拌合物的用水量，得到流动性、均匀性及密实性均较佳的混凝土，同时达到节约水泥的效果，因此颗粒级配是砂料品质中一个重要的检测项目。

砂的细度模数（FM）是衡量砂子粗细程度的一项重要参数，即粗砂FM为3.7～3.1、中砂FM为3.0～2.3、细砂FM为2.2～1.6、特细砂FM为1.5～0.7。采用粗砂拌制的混凝土和易性较差，拌合物易分离，混凝土泌水性较大。砂子FM在2.4～2.8时，拌制的混凝土和易性良好，混凝土均匀性较好，强度也较高。采用细砂或特细砂配制的混凝土虽然和易性好，但其比表面积大，使用水量及水泥用量增加，混凝土易开裂，因此宜采用低砂率、低陷度及双掺技术措施。

（2）砂的含泥量对混凝土性能的影响

天然骨料中的含泥量是粒径小于0.08mm的细屑、淤泥和黏土的总量。“黏土”是岩石经长期风化侵蚀作用而形成的粒径在0.005mm以下的颗粒。“淤泥”是粒径比黏土大、比砂小的土粒。“尘屑”是既非黏土又非淤泥的粒径很小的细碎云母片、非矿物性渣滓等。

由于泥粒一般较细，因而增加了骨料的比表面积。并且由于黏土类成分的吸水性质，使混凝土拌合物的坍落度随含泥量的增加而降低；当保持坍落度不变时，则用水量增加。这时若不相应增加水泥用量，则会由于水灰比的增大而使混凝土强度降低。泥粒中小于0.005mm的黏土，由于颗粒更小，比表面积更大，且体积不稳定，吸水湿润时膨胀，干燥时收缩，因此当骨料中黏土含量较多时，对混凝土强度、干缩、徐变、抗渗、抗冻融、抗磨损等性能都会产生不利的影响。当有泥块存在时，会降低混凝土密实度，成为混凝土薄弱部分。在外力或干湿、温差引起体积变化时，易于成为促使混凝土产生破坏的诱因。当泥粒包裹在骨料表面时会影响骨料与水泥浆的粘结，从而降低混凝土强度等性能。当泥粒分散在骨料中时，将起非活性混合材料的作用而降低水泥的活性，从而影响混凝土的强度和耐久性。由于泥粒的析水作用，还会使混凝土产生表面疏松多孔的表层，而影响混凝土的耐磨性能^［2-1］。

总之，细骨料中所含的泥若包裹在骨料表面，不利于骨料与水泥的胶结，将影响混凝土强度及耐久性；若含的泥是以松散颗粒存在，由于其颗粒细与表面积大，会增加混凝土的用水量，特别是黏土的体积不稳定，干燥时收缩、潮湿时膨胀，对混凝土有干湿体积变化的破坏作用。总之，砂的含泥量超过标准要求时，对混凝土的强度、干缩、徐变、抗冻及抗冲磨等性能均会产生不利的影响。

细骨料中含有较多泥粒时可以采用水力冲洗等方式清洗，也可以采用适当增加水泥用量、掺加外加剂等措施弥补含泥量造成的不良影响。

（3）砂的云母含量对混凝土性能的影响

某些砂料常含有一定量的云母，这种物质一般呈薄片状，表面光滑，强度很低，且易沿节理错裂，因而与水泥浆的粘结能力很差。一般来说，当这种物质含量较多时，会明显使混凝土的和易性变差，抗压强度、抗拉强度、抗冻融性、抗渗性及抗磨损性等均有降低，因此水工混凝土施工规范对砂料中云母含量规定不应超过2%。

①对和易性的影响。在水灰比及灰骨比相同时，不同云母含量对混凝土工作度的影响，如图2.3-2^［2-1］。当云母含量为4%时，拌合物显得干稠；云母含量增至10%时，拌合物难以振捣成型。

砂料中随着云母含量的增加，由于云母的薄片状结构增大了骨料的总表面积，阻碍了混凝土拌合物的内部运动，使水泥浆覆盖层减薄，成型性能下降，影响施工。

由于较大片状颗粒的云母对混凝土拌合物内部运动阻力大，故较大的云母片对砂浆、混凝土拌合物的流动度影响也大，如图2.3-3^［2-1］。

②对水泥用量的影响。当水灰比与和易性保持不变，随着云母含量的增加，混凝土水泥用量也相应增加，如图2.3-4^［2-1］。从图可以看出，云母含量与水泥用量几乎成正比增加。云母含量每增加1%，水泥用量增加4.0%～5.5%。

③对强度的影响。由于云母和水泥浆的胶结力差及云母的隔离作用，导致混凝土的强度随云母含量的增加而降低。云母含量在3%以内，当水灰比及和易性相同情况下，混凝土强度损失在10%以内；当云母含量超过4%时，强度降低较多，如表2.3-12^［2-1］。

④对抗冻性影响。混凝土抗冻性随云母含量增加而降低。这是由于渗入云母片之间及云母与水泥浆之间的空隙中的水，在冻融交替下加速了破坏作用，采用快冻法检测的云母含量对混凝土抗冻性影响试验结果列于表2.3-13^［2-1］。从表可见，快冻试验混凝土抗压强度降低值随云母含量的增大而增加。

⑤对抗渗性的影响。云母含量对混凝土抗渗性的影响，随云母含量的增加而降低（见表2.3-14^［2-1］）。

（4）砂的坚固性对混凝土性能的影响

砂的坚固性是检验砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。引起砂料发生大的或永久性体积变化的物理原因，主要是冻结和融化、热变及干湿交替变化、化学结晶膨胀作用变化等。砂的坚固性差，会直接影响混凝土的耐久性与强度，特别是质量要求高的混凝土。

（5）砂的吸水率对混凝土性能的影响

砂的饱和面干吸水率是评价砂的颗粒致密度和砂的含孔状态（孔隙率、孔大小及贯通性等）的参数。砂的吸水率大，骨料的密度小，强度一般较低，会影响骨料界面和水泥石的胶结强度，并降低混凝土的抗冻性、化学稳定性和抗磨性等，特别是配制抗冲磨混凝土、抗冻混凝土及抗侵蚀混凝土，砂子的吸水率越小越好。

2.3.5 粗骨料品质对混凝土性能的影响

（1）粗骨料级配对混凝土性能的影响

石料级配是指各级粒径颗粒的分配比例。级配对于混凝土的和易性、强度、抗渗性、抗冻性及经济性等都有一定的影响，因此水工混凝土的石子最佳级配是通过不同粒径、不同比例组合，采用振实密度法找出最大振实密度，使其组合的粗骨料孔隙最小。使用级配良好的粗骨料，可以配出水泥用量较低，各种性能较好的混凝土。

粗骨料的粒径越大，需要湿润的比表面越小。因此，大体积混凝土应尽量采用较大粒径的石子，这样可降低砂率、混凝土用水量与水泥用量，提高混凝土强度，减少混凝土温升及干缩裂缝^［2-2］。

（2）粗骨料含泥量对混凝土性能的影响

天然卵石含泥状态有两种，一种是包裹型，另一种是松散型。

包裹型含泥——石料所含泥粒一般成浆状粘结或包裹于石子表面。直接影响石子与水泥石的胶结，从而降低混凝土的强度及其他性能。

松散型含泥——石料中均匀分布的泥粒。在某些情况下可以起到改善混凝土拌合物的和易性，提高密实性的作用。但当含泥量多将增加混凝土用水量，对混凝土质量产生不利影响。

石料中含有团块状泥土时，对混凝土各种性能都不利。我国和许多国家对团块状泥土含量限制极严，一般都不允许存在。

人工碎石因其生产工艺不同，会有数量不等的石粉。这些石粉遇水后，包于石子表面或分散在碎石中，影响碎石与水泥石的胶结力和混凝土用水量。

1）石料含泥量对混凝土和易性的影响。石粉含量对混凝土用水量和坍落度都有影响。当用水量相同时，石粉含量每增加2%，坍落度约降低1 cm。当坍落度保持基本相同时，随着石粉量的增加，其用水量增大。石粉含量每增加1%，用水量约增加2 kg/m³。在塑性贫混凝土中含有一定量的石粉，可以改善拌合物的和易性。

在泥土包裹石料表面的情况下，当含泥量为1%～3%时，对混凝土用水量的影响不明显；但当含泥量达7%时，用水量即明显增加。

2）含泥量对混凝土抗压强度影响。不同含泥型式对混凝土抗压强度的影响也不同。以泥块型对抗压强度的影响较大。

当含泥量为1%～5%时，混凝土抗压强度降低0～12%。当含泥量超过7%时，强度降低达30%以上。

高强度混凝土比低强度混凝土在同样含泥量情况下，其抗压强度的降低要大一些。

3）含泥量对混凝土抗拉强度的影响。含泥量对混凝土抗拉强度的影响比抗压强度大。泥块型对混凝土抗拉强度的影响更明显，如含泥块1%～2%，混凝土抗拉强度降低10%～25%。

4）含泥量对混凝土干缩影响。石料含泥量对混凝土干缩的影响，团块型含泥比包裹型的影响大。含泥量越多，对混凝土的干缩影响越大，见表2.3-15^［2-1］。

5）含泥量对混凝土抗冻性影响。石料中含黏土对混凝土抗冻的影响非常明显。当含泥量为1%时，抗冻性的降低不很显著；当含泥量为3%～7%时，混凝土抗冻性显著降低，见表2.3-16^［2-1］。所以对有抗冻性要求的混凝土应严格控制砂石料中含泥量。

减小粗骨料含泥的不良影响，目前可行的有两个办法：①加工清洗骨料；②增加水泥用量。

在塑性混凝土中，为了保持坍落度不变，采用含泥骨料时水泥用量增加的百分率，近似于粗骨料含泥的百分率，见表2.3-17^［2-1］。

（3）粗骨料弹性模量对混凝土性能的影响

在一般情况下，混凝土的弹性模量取决于所用骨料的弹性模量及骨料在混凝土中所占的体积。骨料强度越高其弹性模量也越高。骨料的弹性模量越高则由这种骨料制成的混凝土弹性模量也较高。

锦屏一级（高305m双曲拱坝）、溪洛渡（278m高双曲拱坝）、大岗山（210m高双曲拱坝）三个工程7种岩石人工骨料混凝土（水胶比0.50～0.55）弹性模量试验结果见表2.3-18^［2-23］。从表可见，溪洛渡工程玄武岩人工骨料原岩表观密度2920kg/m³、湿抗压强度达150MPa，弹性模量高，该骨料混凝土180d弹模高达41GPa；而锦屏一级工程花岗岩人工骨料表观密度2640kg/m³、湿抗压强度72MPa，弹性模量较低，该骨料混凝土180d弹模仅18.8MPa。

（4）针片状含量对混凝土性能的影响

一般来说，比较理想的骨料颗粒形状是接近于球形或正方形。针状和片状骨料的性能较差。当粗骨料中的针状、片状颗粒含量超过一定界限时，使骨料的空隙率增加，不仅对混凝土拌合物的和易性有较大影响，而且会不同程度地降低混凝土的强度和其他性能。

针状、片状颗粒含量碎石比卵石多。用颚式、辊式破碎机生产的碎石中的针状、片状颗粒含量比用锤式、锥式破碎机生产的多。石灰岩、片麻岩碎石的针片状含量比花岗岩、砂岩碎石的多。

当针状、片状颗粒含量过多时，为了保证混凝土的施工和易性与足够的强度，必须适当增加水泥用量，这样往往是不经济的。因此，对粗骨料中的针状和片状颗粒加以限制是必要的。水工混凝土施工规范对针片状颗粒含量规定为一般不得大于15%；碎石中的针片状颗粒经试验论证，可以放宽至25%。

1）针片状颗粒含量对和易性及强度的影响。在配合比及水泥用量相同的条件下，混凝土拌合物的和易性、坍落度及混凝土强度均随针片状颗粒含量增加而降低，见表2.3-19^［2-1］。

从表2.3-19可以看出，高强度混凝土与低强度混凝土中针片状颗粒含量对混凝土强度的影响程度不同。以含量25%及50%为例，在高强度混凝土中的强度降低率分别为7.8%～8.5%及11.8%～13.5%；而在低强度混凝土中的强度降低率分别为15.5%～17.7%及19.9%～26.9%。这种影响的差别主要是因为低强混凝土粘性差，水泥砂浆强度低，当受外力作用后，力就直接传递于骨料，使针片状容易断裂，混凝土强度随之而降低。

含针片状颗粒的骨料，空隙率及比表面积增大，与水泥浆体的接触面增加，表面吸水量增加，摩阻力增大，不易滚动，这都使混凝土和易性降低。

混凝土强度降低的原因，一方面是由于针片状石料本身强度低，混凝土受力后在其内部的薄弱点断裂；另一方面，在混凝土成型过程中，针片状颗粒的排列具有明显的导向性，多数在横向与圆石子形成简支梁的状态，易被折断，个别的针状颗粒又起着尖劈的作用，促使混凝土较早地出现裂缝而提前破坏。

2）对水泥用量的影响 由于针片状颗粒表面积大，空隙率大，当混凝土中含有大量这种颗粒时，使混凝土和易性、坍落度降低。在同样的浇筑条件下，需增加水泥用量，使其达到相近的和易性和强度。

当水灰比及坍落度保持相同，随针片状的增加，水泥用量要增加2%～12%，如表2.3-20^［2-1］。故采用增加水泥用量的办法，在一定程度上使混凝土强度及和易性都能得到改善。但针片状含量超过25%时，水泥用量便急剧增加。

针片状颗粒含量相同时，高强混凝土比低强混凝土的强度降低率虽然低一些，但强度降低的绝对值要大得多，水泥用量也增加较多。因此，对高强混凝土所用粗骨料，其针片状颗粒含量应控制严一些；而对中、低强混凝土可适当放宽。

（5）粗骨料吸水率对混凝土性能的影响

石料的表观密度取决于石质、矿物成分、风化程度及空隙率。一般来说，密度小的骨料结构疏松、多孔，孔隙率和吸水率大，配制的混凝土强度较低，特别是粗骨料外部孔隙对吸水率影响更大。吸水率大的骨料对混凝土抗渗性、抗冻性、化学稳定性和抗磨性等都将产生一定的不利影响。

特别是对混凝土抗冻性影响更大，吸水率高的骨料混凝土在冻融循环试验时，因混凝土内部水量较多，容易受到冻融破坏，会较大降低混凝土抗冻等级。

（6）粗骨料线膨胀系数对混凝土性能的影响

粗骨料线膨胀系数大小直接影响混凝土线膨胀系数，粗骨料线膨胀系数大，则混凝土线膨胀系数也大（见表2.3-21）。从表可见，石英岩、砂岩骨料线膨胀系数大，这种骨料混凝土线膨胀系数也大；石灰岩骨料线膨胀系数小，相应该骨料混凝土线膨胀系数也小。

2.3.6 骨料碱活性对混凝土性能的影响

骨料碱活性会导致混凝土发生碱-骨料反应，产生膨胀而使混凝土发生裂缝，危及混凝土结构安全。

混凝土工程发生碱-骨料反应破坏必须具有三个条件：一是配制混凝土时由水泥、骨料、外加剂和拌合用水带进混凝土中一定数量的碱，或者混凝土处于碱渗入的环境中；二是一定数量的碱活性骨料存在；三是潮湿环境，可以供应反应物吸水膨胀时所需的水分。

碱-骨料反应（AAR）类型可分为碱硅酸盐反应（ASR）和碱碳酸盐反应（ACR），AAR是造成混凝土结构破坏失效的重要原因之一，碱骨料反应有以下特征^［2-2］。

（1）受碱-骨料反应影响的混凝土需要数年或一二十年的时间才会出现开裂破坏。

（2）碱-骨料反应破坏最重要的现场特征之一是混凝土表面开裂，裂纹呈网状（龟背纹），起因是混凝土表面下的反应骨料颗粒周围的凝胶或骨料内部产物的吸水膨胀。当其他骨料颗粒发生反应时，产生更多的裂纹，最终这些裂纹相互连接，形成网状。在预应力作用的区域裂纹将主要沿预应力方向发展，形成平行于钢筋的裂纹，而在非预应力的区域，混凝土表现出网状开裂。

（3）碱-骨料反应破坏是由膨胀引起的，可使结构工程发生整体变形、移位、弯曲、扭翘等现象。

（4）碱-硅酸反应生成的碱-硅酸凝胶有时会从裂缝中渗到混凝土的表面，新鲜的凝胶呈透明或呈浅黄色，外观类似于树脂。脱水后凝胶变成白色，凝胶流经裂缝、孔隙的过程中吸收钙、铝、硫等化合物也可变为茶褐色以至黑色，流出的凝胶多有较湿润的光泽，长时间干燥后会变为无定形粉状物，借助放大镜，可见与颗粒状的结晶盐析物区别开来。

（5）ASR的膨胀是由生成的碱-硅酸凝胶吸水引起的，因此ASR凝胶的存在是混凝土发生了碱-硅酸反应的直接证明。通过检查混凝土芯样的原始表面、切割面、光片和薄片，可在空洞、裂纹、骨料-浆体界面区等处找到凝胶。因凝胶流动性较大，有时可在远离反应骨料的地方找到凝胶。

（6）有些骨料在与碱发生反应后，会在骨料的周边形成一个深色的薄层，称为反应环，有时活性骨料会有一部分被反应掉。

（7）一般认为，ASR膨胀开裂是由存在于骨料-浆体界面和骨料内部的碱-硅酸凝胶吸水膨胀引起的，ACR膨胀开裂是由反应生成的方解石和水镁石，在骨料内部受限空间结晶生长形成的结晶压力引起的。也就是说，骨料是膨胀源，这样骨料周围浆体中的切向应力始终为拉伸应力，且在浆体-骨料界面处达最大值，而骨料中的切向应力为压应力，骨料内部肿胀压力或结晶压力将使得骨料内部局部区域承受拉伸应力，而浆体和骨料径向均受压应力。结果在混凝土中形成与膨胀骨料相连的网状裂纹，反应骨料有时也会开裂，其裂纹会延伸到周围的浆体或砂浆中去，甚至能延伸到达另一颗骨料，裂纹有时也会从未发生反应的骨料边缘通过。

（8）ASR产生过度膨胀而引起的混凝土内部裂缝是分别由其中的粗、细骨料中的反应性硅与碱反应引起。这种裂缝经常被凝胶填充或部分填充，在混凝土中心处形成网状裂缝，许多裂缝互相交叉连接在一起。在个别情况下，有的反应性颗粒部分被溶解。

（9）内部裂缝的分布对施加或诱发的压应力是敏感的，在应力作用下，裂缝倾向于平行于压应力方向排成一行。混凝土受ASR影响时，一般混凝土内部膨胀，暴露在外表面的混凝土不膨胀，因此表面受张应力，形成表面微裂缝并于暴露表面成直角，这种相互连接的内部裂缝与表面微裂缝，同暴露面紧密地连在一起，这表明混凝土内部已出现了膨胀。